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ILC 実験におけるヒッグス崩壊分岐比の測定精度の評価

2009年9月12日東北大理 吉田幸平

他 ILD グループ

目次●ILC●ILD 測定器●ヒッグス崩壊分岐比●解析●まとめ

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ILC(国際線形加速器)● 電子・陽電子衝突型加速器

● 重心系エネルギー： 500 GeV● 積分ルミノシティ(4年間)： 500 fb-1

● 測定器案：　ILD、SiD、4th● 期待される物理

─ ヒッグス粒子の精密測定

➢ 質量, 崩壊分岐比─ 超対称性粒子

─ 余剰次元

測定器

電子

陽電子

ダンピングリング

全長：約30km

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ILD 測定器● 2007年　GLD(日本) とLDC(ヨーロッパ) が統合→ILD● 2008年9月　現在の測定器モデルが決定● 2009年4月　LOI(Letter Of Intent) を作成

─ 物理モード、測定器のパフォーマンス

GLD LDC ILD

崩壊点検出器

1層目の内径[cm] 1.75 1.4 1.6

TPC 外径[cm] 197.8 151.1 173.9

ソレノイド 磁場[T] 3 4 3.5

電磁カロリメータ

内径[cm] 210.0 161.0 184.7

ILD 測定器の外観とパラメータ

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本研究の動機ILC での重要な目的の一つにヒッグス機構の検証がある● ヒッグス機構

─ (ヒッグスとの結合の強さ) (∝ 質量)

ヒッグス機構の検証には精密なヒッグス崩壊分岐比の測定が要求される

→本研究ではH→bb,cc の崩壊分岐比の測定精度を評価する

WZ

H t

b

τc

ヒッグスとの結合の強さ

質量(GeV)

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ZH 生成過程を用いヒッグス崩壊分岐比の測定精度を評価する。

● ヒッグスからのジェットペア(H→bb,cc) を観測する● Z→νν は観測できない

→シグナルは2ジェット

ヒッグス生成過程

e+

e-

Z* Z

H

ν ν

(MH： 120 GeV)

ヒッグス崩壊分岐比bb 65.7%

WW 15.0%ττ 8.0%gg 5.5%cc 3.6%

シグナルのダイアグラム

反応断面積：77.4fb(重心系エネルギー:250GeV)

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シミュレーション

重心系エネルギー: 250 GeV, ルミノシティ: 250 fb-1ビーム偏極: 電子(-80%), 陽電子(+30%)

● シグナル：　終状態が2ジェット

● バックグラウンド：　終状態が4フェルミオン

2フェルミオン終状態イベントは含まない(質量欠損カットで落ちる)● シミュレーションソフトウェア

─ 測定器シミュレーション：Mokka─ 再構成ツール：Marlin

νeνeH νμνμH ντντH Total9,086 5,138 5,135 19,360

ννll νlqq qqqq ννqq llqq llll Total1,113,014 4,114,190 4,048,386 149,979 393,817 762,973 10,582,360

ダイアグラム

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解析概要

1. 2ジェットとして再構成する

2. バックグラウンド除去

➢ 質量欠損カット➢ 運動量カット(縦運動量、横運動量、最大運動量)➢ 荷電トラック数カット➢ Y値カット(Y最小2ジェット、Ｙ最大2ジェット)➢ 2ジェット質量カット

3. ヒッグスの崩壊分岐比を求める

➢ テンプレートフィット

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質量欠損カット2ジェットとして再構成して、そこから質量欠損を求めた● Z→νν イベントを選ぶためのカット● 80 GeV < 質量欠損 < 140 GeV を選択する

llllとllqq、qqqq イベントが抑制された

ZH→vvHx103

GeV GeV

質量欠損分布llllllqqvvqqqqqqvlqqvvll

(抑制)(抑制)

(抑制)

シグナル バックグラウンド

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荷電トラック数カット

● WW(W→νl) イベントを除くためのカット● 荷電トラック数 > 10 を選択する

WW(W→νl) イベントが抑制された

カット後はτντqq イベントが主なバックグラウンドになった

ZH→vvHx103

Nトラック

Nトラック

llllllqqvvqqqqqqvlqqvvll (WW)

荷電トラック数分布

シグナル バックグラウンド

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Y最小2ジェットカット● τντqq イベントを除くために Y最小2ジェット < 0.02 を選択

─ Y最小2ジェット： 2ジェットとして再構成するための最小Y値

● 3ジェットを2ジェットとして再構成するとY値は大きくなる

( )2

cos12

vis

ijji

EθEE

Y−

≡

ZH→vvHllllllqqvvqqqqqqvlqqvvll

Y最小2ジェット分布

シグナル バックグラウンド

大1 2

小1 2

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Reduction tableカットなし 質量欠損 縦運動量 横運動量

荷電トラック数

最大運動量

Y最小2ジェエト

Y最大2ジェット

2ジェット質量 効率

ZH→ννbb 13062 11662 10408 10136 9852 9063 6717 6434 5810 44.48%

ZH→ννcc 707 643 574 561 533 466 333 318 306 43.22%

ZH→ννH 19360 15637 13900 13501 12768 11674 7711 7384 6672 34.46%

νeeqq 1460797 80931 67135 61437 25966 5088 961 851 448 0.03%

νμμqq 1327332 92360 75143 61715 52355 10540 2747 2288 888 0.07%

νττqq 1326061 386690 268190 200443 176370 123045 29135 24979 10131 0.76%

ννqq 149979 124843 85774 49745 43229 35942 26713 21653 3345 2.23%

その他 6318190 491631 337800 266307 2676 2001 370 335 226 0.00%

バックグラウンドを十分に落とせている

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ヒッグス崩壊分岐比の計算

H→bb の崩壊分岐比に対するH→cc の崩壊分岐比の割合を求める

●

─ εcc,εbb は選択効率(εcc : 0.432, εbb: 0.445) ←Reduction tableより─ rcc,rbb はバックグラウンド除去後のZH→ννH イベントに対する

ZH→ννcc,ννbb イベントの割合→テンプレートフィットにより、rcc,rbb を求める

BRHccBR Hbb

=r cc/ccrbb /bb

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● フレーバータグ

─ ニューラルネットを使用

─ Z→qq イベントでトレーニング─ bc タグはトレーニングでのバックグラウンドがb のみのc タグ

テンプレートフィット● 3D ヒストグラム使用(b,c,bc らしさ)

─ ZH→ννcc,ννbb の割合rcc,rbb を求める

→テンプレートサンプルを作成した

b,c,bc らしさ

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テンプレートサンプル

• テンプレートサンプル：H→bb, cc, other、SM バックグラウンド

– H→other イベントは主にH→gg/WW イベント

バックグラウンド

H→bb H→cc H→other

データ

bらしさcらしさ

※図は2D ヒストグラム

テンプレートサンプル

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フィット結果

rbb rcc

データの3D ヒストグラムをポアソン統計で振って1000回の試行実験を行った。

– rbb : 0.87 +/- 0.01 (真rbb : 0.871)– rcc : 0.046 +/- 0.009 (真rcc : 0.0431)– フィット結果は真値と一致する

● Br(H→cc)/Br(H→bb) = 0.054 +/- 0.007 (真値 ： 0.0541)─ BR(H→cc) の測定精度 : 13.7%─ BR(H→bb) の測定精度 : 1.1%

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まとめ

● ヒッグス崩壊分岐比の測定はヒッグス機構の検証に重要である。

● ZH→ννH 生成過程を用いてヒッグス崩壊分岐比の測定精度を評価した

─ シミュレーション条件

➢ 測定器モデル：ILD➢ 重心系エネルギー：250GeV➢ ルミノシティ：250fb-1

─ 解析方法

➢ バックグラウンド除去➢ テンプレートフィット

─ 結果

➢ ∆Br(H→cc): 13.7%➢ ∆Br(H→bb): 1.1%

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縦運動量カット

20 GeV < 縦運動量 < 70 GeV

縦運動量分布

GeV GeV

llllllqqννqqqqqqνlqqννll

ZH→ννHZH→ννcc

シグナル バックグラウンド

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横運動量カット

-60 GeV < 横運動量 < 60 GeV

ZH→ννHZH→ννcc

llllllqqννqqqqqqνlqqννll

GeV GeVシグナル バックグラウンド

横運動量分布

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最大運動量カット

最大運動量 < 30 GeV

ZH→ννHZH→ννcc

llllllqqννqqqqqqνlqqννll

GeV GeVシグナル バックグラウンド

最大運動量分布

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Y最大2ジェットカット● さらにτντqqイベントを除くために 0.2 < Y最大2ジェットカット < 0.8 を選択

─ Y最大2ジェット： 2ジェットとして再構成するための最大Y値● ヒッグスはWやZより質量が大きいためβが小さい● シグナルはβが小さいためY最大2ジェット値が大きくなる

ZH→vvH

llllllqqvvqqqqqqvlqqvvll

Y最大2ジェット分布

シグナル バックグラウンド

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2ジェット質量カット● ZZ→ννqqイベントを除くためのカット● 100 GeV < 2ジェット質量 < 130 GeV を選択

ZZ→ννqqイベントが抑制された

ZH→vvH

2ジェット質量分布

GeV GeV

llllllqqvvqqqqqqvlqqvvll

(抑制)

バックグラウンドシグナル

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● フレーバータグ

● ニューラルネットを使用

● Z→qq イベントでトレーニング─ bcタグはトレーニングでのバックグラウンドがbクォークのみのcタグ

Xらしさ=X 1⋅X 2

X 1⋅X 21−X 1⋅1−X 2X=b,c,bcX1,2: 2つのジェットのうち1つのXクォークらしさ

定義

テンプレートフィット● 3Dヒストグラム使用(b,c,bcらしさ)

─ ZH→ννcc,ννbbの割合rcc,rbbを求める

b,c,bcクォークらしさ

b,c,bcらしさ

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